土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明：加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。     

边界层参数化方案对高原低涡东移模拟的影响

利用新一代中尺度气象数值模式WRF的三种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2方案),对比检验了2008年7月1-3日和2009年7月29-30日两次高原低涡东移过程的模拟效果,初步分析了三种参数化方案模拟的高原大气边界层物理量特征.结果表明,从高原低涡生成后模拟至24 h,不同边界层方案均能较好地模拟出高原低涡的路径和中心强度.其中,采用MYJ方案得到的结果最接近观测值,而ACM2方案的偏差最大.不同的边界层参数化方案模拟的水平风速、位温、垂直速度场以及相当位温场的垂直分布特征有所不同.三种方案都较好地模拟出高原边界层高度的时空分布特征,而且日变化明显,空间上呈西高东低分布.通过对比分析地表感热和潜热通量,表明局地闭合的MYJ方案较适用于模拟潜热通量,由于受较强湍流交换和高层夹卷作用,非局地闭合的YSU和ACM2方案模拟的感热通量值偏大.根据研究对象的特点采用合适的边界层参数化方案,模拟效果有明显的改进.     

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因.在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量...     

基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案对土壤温、湿度的模拟能力,为将来选取最优的参数及参数化方案来更合理的模拟青藏高原土壤冻融过程为目的的工作提供依据。结果表明:(1)三种土壤热导率参数化方案模拟结果的土壤热传导率有明显差异,其中Coté方案的土壤热传导率最高,Luo方案的土壤热传导率最低。(2)三种热传导率方案均能合理地模拟出土壤温湿度的日变化趋势,Johansen方案对土壤温度年变化趋势模拟的更好,Coté方案对土壤温度模拟的数值较观测值偏离的更小,Luo方案对土壤湿度的模拟更好。(3)加入虚拟温度方程,并引入相变效率参数后,减少了模式对土壤湿度模拟的负偏差,Y-L方案在保持土壤温度较好模拟能力的基础上,能够进一步的提升土壤湿度的模拟能力。     

青藏高原夏季砾石与有机质对土壤水热影响的数值模拟

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2)和砾石-有机质方案(test3)。模拟结果表明:test2较原方案(test1)对于高原西部的模拟效果提升明显,但对于高原东部的模拟效果欠佳。test3在test2的基础上,提升了高原中部与东部浅层土壤的模拟效果。test3的浅层土壤区域平均温度均方根误差从2.11 ℃下降到0.47 ℃,浅层土壤区域平均湿度均方根误差从0.05 mm³·mm^-3下降到0.01 mm³·mm^-3。同时,三种方案均能较好地模拟高原的地表温度。其中test3误差最小,区域平均的均方根误差从2.18 ℃下降到0.74 ℃,与再分析数据更加接近。     

一次东移高原低涡影响四川暴雨的数值模拟分析

应用自动站雨量资料、常规观测资料和国家气象中心T213分析场资料,采用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2008年7月20日高原低涡东移引发的四川盆地暴雨过程。通过分析模式输出资料,结果得出高原涡东移影响四川盆地暴雨的一种物理触发机制:高原涡正涡度的东移促使四川盆地正涡度发展,正涡度的发展使得大气旋转上升加强,对流层高层强烈辐散,低层辐合,对流发展形成降水,大气凝结释放潜热加热大气,使得高层等压面升高,负涡度发展,低层降压,正涡度发展,这样就形成了一个正反馈的循环机制,从而导致了四川盆地强降水。     

边界层参数化和湿过程对切变线低涡发展影响的中尺度模拟

1981年8月14至22日,在青藏高原东侧陕、甘、川毗邻区,出现了一次持续暴雨过程.对其主过程的涡度诊断表明,切变线低涡初生於青藏高原东侧低空,其后,不仅出现了高、低空涡度中心的叠加和耦合过程,而且在行星边界层(PBL)内发生了迅速加强过程.这种过程与切变低涡的持续发展相伴. 一系列48和72小时中尺度数值模拟结果揭示:只有高分辨PBL参数化的湿物理过程,才能较好地模拟出切变低涡在PBL内的突然加强及其涡度演变和垂直结构;而总体PBL参数化,虽然其涡度演变和垂直结构也能基本模拟出来,但不能模拟出切变线低涡在PBL内的迅速加强;总体PBL参数化干过程的模拟结果指出,该方案较前两种湿过程方案均差,特别是被模拟系统的强度明显减弱,位置偏离. 模拟与诊断和观测之间的比较揭示,尽可能仔细地改进PBL参数化和湿物理过程,才有可能改进对这类中尺度系统发生和发展的模拟.     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9～11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明：模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。     

WRF模式边界层参数化方案对川渝盆地西南涡降水模拟的影响

应用WRF v4.0模式五种边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2、ACM2和SH）,对2016 年汛期（5～9月）在川渝盆地东部造成暴雨的所有西南涡过程进行了数值模拟,检验评估了它们对各量级降水的预报能力,并基于加密的L波段秒级探空资料对比分析了模拟与实况边界层结构的差异,结合各方案对湍流运动的算法特点探讨了其差异的原因,最后对ACM2方案进行了湍流强度调整,由此改善其对于川渝盆地边界层与西南涡降水的模拟能力。结果表明:ACM2和YSU方案TS评分表现较好,相对其它方案ACM2空报较少,这种可以根据周围环境的稳定性切换局地或非局地算法的方案更适合于盆地西南涡降水模拟,但边界层方案对西南涡降水的空报都较普遍,尤以大量级降水更明显;精细的探空资料进一步表明,所有方案模拟的白天边界层高度都偏高,湍流混合强度都偏强。通过参数调整而降低混合强度的ACM2方案,模拟的边界层温湿结构则更符合实际观测,其边界层下部温度更低、湿度更高,减少了大量级降水的空报,使盆地西南涡降水模拟有一定改善;边界层参数化方案对西南涡模拟的差别主要体现为不同的西南涡位置与降水强度,但归根到底都源于方案的局地或非局地特性、不同的混合强度这两方面原因。因此,根据不同特定区域下垫面环境与气候状况合理选择方案的特性和混合强度是准确模拟边界层结构及其降水过程的关键。     

对流层中上部水汽对高原低涡形成影响的数值试验

对1998年8月4日那曲低涡形成前的卫星监测水汽图像的分析,用η模式对该低涡进行的数值模拟,及对高原以南及洋面上空对流层中上部增加水汽的数值试验,得出印度洋阿拉伯海是这次高原低涡形成在对流层中上部一个重要的水汽源;印度西部-阿拉伯海上空对流层中上部水汽增加,可使高原上出现有利于低涡形成的高度场、温度场条件;用卫星监测的水汽图像改善在高原以南及洋面上空对流层中上部水汽条件,对数值预报结果有改进.     

一次高原低涡过程的数值模拟与结构特征分析

利用非静力中尺度数值模式MM5,模拟了2009年7月29～31日的一次高原低涡过程,结果表明,TBB卫星资料显示出在低涡发展过程中具有同热带气旋类低涡相似的涡眼结构.MM5模式能较好地模拟出低涡的降水落区、强度以及内部结构,正位涡区随着低涡的东移而东移.在动力结构上,低涡发展过程中,涡心处散度和涡度的变化不大,垂直速度...     

南支气流对高原低涡移出高原影响的数值试验

本文在对2000年以来移出青藏高原后活动时间长的高原低涡活动过程,进行对流层中层南支气流对高原低涡移出高原的影响的观测事实分析基础上,通过对2001年6月1～5日索县低涡移出高原活动的数值模拟和试验分析,得出了在高原低涡以南的南支气流减弱或者是没有南风或者是没有南风脉动的影响,会使低涡移出高原的速度减慢,移出高原12小时后减弱消失。低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量、正涡度平流的作用,提供利于低涡活动持续的条件。从而丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

南支气流对高原低涡移出高原影响的数值试验

本文在对2000年以来移出青藏高原后活动时间长的高原低涡活动过程,进行对流层中层南支气流对高原低涡移出高原的影响的观测事实分析基础上,通过对2001年6月1~5日索县低涡移出高原活动的数值模拟和试验分析,得出了在高原低涡以南的南支气流减弱或者是没有南风或者是没有南风脉动的影响,会使低涡移出高原的速度减慢,移出高原12小时后减弱消失。低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量、正涡度平流的作用,提供利于低涡活动持续的条件。从而丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

高原涡与西南涡相互作用引发MCC暴雨的形成机制分析

使用常规观测资料、ERA-Interim再分析资料和卫星资料,以2014年7 月8-10 日西南涡和高原涡相互作用引发MCC 产生大暴雨的天气过程为例,分析了两涡作用导致大暴雨的形成机制.结果表明:相互作用前期,两涡涡心间距较远,在500 hPa 高度上两者同处于青海南部的气旋及其向南延伸的低槽前.约24 h 后,高原...     

高原低涡移出高原的观测事实分析

应用天气学、统计学原理,结合TRMM资料,分析了1998—2004年5—9月移出高原的低涡的活动特征。结果指出:6—8月是高原低涡移出高原影响中国东部天气的主要时段,它与高原低涡在高原上的活动特征及西南低涡移出高原特征均不同;移出高原的高原低涡的涡源主要在曲麻莱附近、德格附近,这与高原上产生低涡的涡源不同;移出高原的高原低涡的移动路径多数是随低槽的活动而向东、向东南移动,这与高原低涡在高原上多数是沿切变线移向东北不同,高原低涡移出高原后,不仅影响中国的范围广,还可能影响到朝鲜半岛、日本;高原低涡移出高原后涡的强度、性质会有变化,在高原以东活动时间长(≥36 h)的高原低涡,移出高原前多数为暖性低涡,移出高原后多数为斜压性低涡,低涡加强、多数可产生暴雨、大暴雨;高原低涡移出高原后移到海洋上,往往因下垫面不同而变化,出海后都有降水加强、多数位势高度下降的现象;移出高原后的高原低涡因东面海上热带气旋活动而少动,与其南面热带气旋活动相向而行,因季风低压少动而少动的现象。     

WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

两次高原涡与西南涡作用下的暴雨过程对比分析

利用FY-2D卫星TBB资料、NCEP1° × 1°再分析资料和地面自动站观测资料,对2008年7月20~22日和2012年7月20~22日两次由高原涡和西南涡相互作用,造成四川暴雨过程进行对比分析,结果表明:(1)强降雨落区与引导高原涡移动的高空槽有密切关系,高空槽的移动和变化大致决定了强降雨的落区。(2)造成两次暴雨过程的对流云团生成和发展虽然有一定的差异,但最终会发展合并形成一个MCC;并且强降雨位于对流云团TBB最大梯度区,一般靠近亮云核,并在亮云核的西北部。(3)两次暴雨过程期间,均有低层辐合高层辐散,对应着强的涡度和强的上升运动,并且散度、涡度和垂直速度都是增大的。(4)两次暴雨过程期间水汽来源存在着差异,但水汽是逐渐增强的,并且水汽辐合中心与强降雨落区相对应。     

高原季风与高原低涡的关系分析

本文基于高原季风指数和高原涡数据集,利用小波分析等统计方法对高原季风和高原低涡的气候特征进行了统计分析,并探究了两者之间的关系,主要结果有:(1)高原季风夏强冬弱,高原季风的准4年、准6年周期振荡的特征十分明显。(2)30年来高原低涡平均每年生成64.2个,其中有51.2个是暖性高原低涡。高原低涡的强度季节内呈正态分布,高原低涡的生成频数的季节内变化有明显的周期振荡特征。(3)高原季风的周期振荡特征在季节尺度和年际尺度上与高原低涡气候特征有一定的相关性,准4年与准6年周期振荡特征十分明显。通过相关概率统计:高原季风的建立时间与强度都与高原低涡的气候特征有一定的正负相关。      

高原涡与西南涡耦合作用的个例诊断

对1982年7月26～28日由500hPa高原低涡与850hPa四川盆地浅薄低涡耦合作用引发盆地低涡强烈发展与大面积特大暴雨天气发生的机理进行了诊断研究。结果表明,高原低涡东移到100°E附近时,其低涡东部的正涡度平流与负值非平衡强迫与850hPa四川盆地浅薄低涡发生垂直叠加时,两者之间发生耦合作用。导致盆地浅薄低涡与500hPa高原涡同时发展,四川盆地发生大面积暴雨。     

云辐射效应对一次高原低涡过程影响的数值模拟研究

利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2G卫星相当黑体亮温TBB数据,通过WRF(V3.8.1)模式对2015年8月5—7日的一次高原低涡过程进行了4组模拟试验,研究了云辐射效应对高原低涡过程的影响。结果表明,云辐射效应主要通过改变云区的辐射分布影响大气稳定度,从而影响高原低涡的发展和结构。在低涡生成阶段,白天云辐射加热抑制低涡南侧的对流,从而有利于水汽和动量向低涡源地输送;夜间云顶长波冷却促进涡区的对流活动,有利于低涡的发展。低涡成熟阶段中,涡心及其周围区域夜间辐射冷却的水平和垂直分布利于涡心下沉、外围上升的垂直运动分布,并与云辐射效应构成正反馈过程,有利于涡眼结构的形成。在低涡快速东移阶段中,云辐射加热和冷却的昼夜变化调节着低涡的强度和东移速度,而当低涡东移出高原后,这种作用则变得不显著。